Madeira transparente e outros avanços na ciência da madeira

Versátil, neutro em carbono, renovável. Não, este não é o slogan de marketing para um novo material especial que acaba de ser desenvolvido, mas três das principais características de um material muito familiar – a madeira – um material que ainda hoje nos surpreende pela sua adaptabilidade e continua a ser na vanguarda do desenvolvimento de materiais. Neste artigo, vou mergulhar em alguns desses desenvolvimentos empolgantes – de madeira transparente a compósitos de madeira carbonizada.

Em primeiro lugar, uma rápida atualização sobre madeira. A madeira é um compósito natural de fibras de celulose embutidas em uma matriz de lignina. A celulose atua como barras longas ao longo do comprimento do tronco e confere à madeira sua resistência à tração, enquanto a matriz de lignina confere à madeira sua resistência à compressão.


Figura 1:Microestrutura básica da madeira.

Este artigo se concentra em três exemplos que melhoram as propriedades da madeira e expandem seus usos, a saber, madeira densificada, madeira transparente e nano-revestimento para madeira. Também exploraremos a madeira como fonte de carbono de alta qualidade com uma estrutura vantajosa.

Madeira densificada

A madeira é um material estrutural amplamente utilizado devido ao seu alto módulo específico, alta resistência, baixo custo e natureza renovável [1]. No entanto, o uso mais amplo hoje é impedido pela alta variação em suas propriedades [1]. Isso se deve à ampla gama de condições de crescimento que uma árvore pode sofrer (por exemplo, tipo de solo, disponibilidade de água e nutrientes), levando a uma diferença nas estruturas e variações na inclinação de grãos, largura do anel e prevalência de nós [1][2]. ].

Para superar essas variações naturais, cientistas e engenheiros desenvolveram produtos de engenharia de madeira, incluindo madeira laminada cruzada e madeira laminada colada (glulam) [1]. Estes melhoraram muito as propriedades da madeira e tornaram-se alternativas ambientalmente viáveis ​​ao aço e ao concreto [2]. No entanto, os atuais produtos de madeira engenheirada exigem grandes quantidades de adesivos e fixadores metálicos, o que reduz sua sustentabilidade e reciclabilidade, especialmente quando certos adesivos são usados, pois emitem gases tóxicos (por exemplo, formaldeído e compostos orgânicos voláteis) [1].

Como resultado, a pesquisa se concentrou em uma variedade de alternativas e, em particular, na madeira densificada. É aqui que a densidade da madeira é aumentada:

• Densificação em massa: Ao longo do volume da madeira [1] [2]
• Densificação da superfície: Apenas na camada superficial da madeira [2]
• Densificação da infiltração: Em todo o seu volume através da impregnação de vazios com metais/enxofre fundidos ou polímeros [3]

Este aumento da densidade leva a propriedades mecânicas melhoradas (Tabela 1) e expande os tipos de madeira que podem ser usados, pois espécies de madeira de baixa densidade podem agora ser processadas em materiais estruturais viáveis ​​[1]. Todos os três métodos são promissores.

Espécie	Resistência à tração longitudinal [MPa]
	Descompactado	Comprimido (80%)
Carvalho (Quercus)	115,3	584,3
álamo (populus)	55,6	431,5
Cedro vermelho ocidental (Thuja plicata)	46,5	550,1
Pinho branco oriental (Pinus strobus)	70,2	536,9
Basswood (Tília)	52,0	587,0

Tabela 1:Resistência à tração longitudinal da madeira antes e depois da compressão.[1]

Um dos fatores limitantes para a densificação em massa são as paredes celulares da madeira (lignina), que dificultam a densificação e não têm uma contribuição global significativa para as propriedades da madeira densificada [3]. Ao mesmo tempo, há pesquisas em andamento para decompor a madeira em nanoescala e usar o material de nanocelulose deslignificada, que possui excelentes propriedades de materiais [3]. Mas a pesquisa tem se esforçado para aumentar/montar isso usando impressão 3D ou 4D [3].

Uma solução parcial é mudar de uma abordagem de baixo para cima para uma abordagem de cima para baixo, deslignificando e densificando totalmente a madeira. Efetivamente, isso adiciona uma etapa preliminar ao processo de densificação e ajuda a formar um novo material a granel de celulose com propriedades mecânicas aprimoradas em comparação com a madeira densificada (módulo de elasticidade ≈ 40 GPa e resistência à tração ≈ 270 MPa) [3]. Além disso, pode ser facilmente moldado em formas complexas [3], abrindo aplicações mais distantes do que aplicações estruturais e talvez anunciando um novo tipo de biocompósitos reforçados com fibras.

Figura 2:Os materiais a granel de celulose podem ser facilmente moldados em uma variedade de formas geométricas. [3]

Madeira transparente

Como você deve ter notado, a madeira na figura 2 é quase translúcida. Bem, acontece que a madeira transparente é atualmente uma área sob investigação, e o primeiro passo no processo é a deslignificação. Isto é seguido pela infiltração com um polímero com um índice de refração correspondente, criando assim uma madeira quase transparente [4] com algum espalhamento residual devido a algumas lacunas que resultam da contração do polímero durante a polimerização [4]. Ainda assim, como a infiltração de polímero é uma forma de densificação, isso leva a uma madeira forte e transparente. A infiltração de polímero também reduz a natureza anisotrópica da madeira em até cinco vezes [5]. Isso se deve à fraca direção transversal da madeira sendo melhorada pelo polímero, suprimindo a flexão da parede celular, mecanismo de falha dominante nessa direção [5].

Figura 3:Imagens antes e depois de uma amostra de madeira que sofreu deslignificação e infiltrações de polímero.[4]

Além de ser um material fascinante, tem uma série de usos potenciais, incluindo telhados transparentes, janelas e coberturas de painéis solares. Telhados, seções e janelas transparentes podem substituir o vidro com suas propriedades mecânicas e isolamento térmico superiores. O alto valor de neblina (medida de dispersão de luz) da madeira transparente também significa que ela fornece uma luz mais suave e difusa do que o vidro tradicional. Esta difusão de luz torna-o também uma cobertura de painel solar muito eficaz, aumentando o caminho da luz na célula solar e permitindo mais tempo para extrair energia levando a uma maior eficiência [4].

Nanorevestimento para madeira

Aqui, analisamos casos além de alterar as propriedades da madeira, onde revesti-la com nanomateriais pode ajudar a superar algumas das fraquezas da madeira e melhorar suas propriedades mecânicas [6]. Essas fraquezas incluem inflamabilidade, fotodegradação e absorção de água.

O nano-revestimento da madeira pode ser feito de duas maneiras:nanopartículas são adicionadas ao revestimento para melhorar suas propriedades antes da aplicação, ou nanopartículas são depositadas diretamente sobre a madeira [6].

O segundo método tem sido utilizado para reduzir a inflamabilidade da madeira através da deposição de partículas de TiO2/ZnO. Eles são primeiro misturados em uma solução com etanol e, em seguida, a madeira coberta com a solução é selada em uma autoclave. Isso leva à formação de nanopartículas com tamanhos que variam de 80 a 200 nm na superfície, aumentando quatro vezes o tempo de ignição [7].

A fotodegradação ocorre quando a radiação UV absorvida leva à foto-oxidação, resultando em descoloração da superfície e redução severa nas propriedades mecânicas. Aqui, depositar uma camada de ZnO gera uma camada de nanopartículas que reduz o envelhecimento induzido por UV e o crescimento de agentes fúngicos e microbianos. Esta resistência ao envelhecimento UV deve-se ao facto de o ZnO absorver preferencialmente a radiação UV e proteger a madeira subjacente [8]. Quando se trata de melhorar as propriedades mecânicas, a nanossílica é usada. As partículas de nanossílica possuem alta dureza e propriedades térmicas. Eles podem reagir quando as reações sol-gel são usadas com polímeros para formar estruturas de rede reticuladas que podem ser aplicadas em madeiras [6].

Compósitos/cerâmicas de madeira carbonizada

Esta aplicação usa indiscutivelmente o material sintético mais antigo, o carvão. O carvão é material celular carbonizado produzido por pirólise. Foi usado na criação de desenhos rupestres [9]. Hoje em dia, ainda usamos carvão para uma variedade de aplicações, incluindo bio-modelos para cerâmicas e compósitos avançados e churrasco. A carbonização da madeira envolve um processo de duas etapas [9].

• A etapa 1 é a decomposição de um material bioorgânico (geralmente madeira, mas também fibras naturais e papel) em um modelo de carbono.
• A etapa 2 é converter o modelo de carbono por meio de transformação ou substituição em estruturas cerâmicas ou compostas.

Ambos os métodos requerem infiltrações do molde de carbono por um material escolhido, pois este é, por natureza, um meio poroso. O material deve estar no estado gasoso, no estado líquido ou na forma nanoparticulada [9].
A transformação envolve a mistura do molde de carbono com Si ou Ti em diferentes formas, incluindo gás, fundido ou sol-gel [ 9][10]. A substituição ocorre quando um óxido cerâmico é depositado no molde como sol-gel ou nanopartícula e é então sinterizado [9][10].

Ambas as vias podem gerar materiais porosos ou densos com uma morfologia microcelular baseada na madeira inicial [10]. Essa forma de processamento abre uma série de opções de design, pois a geometria do compósito agora pode ser alterada facilmente, moldando o modelo de madeira na forma necessária - um processo muito mais fácil do que moldar ou usinar o produto final. Há também a opção de adequar a morfologia dos materiais através da escolha da madeira para o gabarito. Por exemplo, madeira macia fornece distribuição monomodal de poros, enquanto certas madeiras duras fornecem distribuição multimodal de poros [10].

Figura 4:Imagem SEM de cristais de TiC que se formaram em um substrato de madeira carbonizada. [9]

Esses compósitos de madeira carbonizada ainda não chegaram ao mercado de massa, mas estão sendo considerados para uma série de aplicações, onde sua alta porosidade (filtros, trocador de calor e estruturas de suporte de catalisador) e sua formabilidade (tubos de cerâmica e materiais resistentes ao desgaste) podem ser vantajosas para muitas aplicações [9][10][11].

Fibras de carbono da madeira

As fibras de carbono (CF) têm uma excelente relação resistência-peso, que, quando combinadas com plásticos reforçados, as tornam compósitos leves extremamente eficazes. No entanto, devido ao seu custo relativamente alto, eles são restritos principalmente a aplicações de ponta, como pás de turbinas eólicas, carros de Fórmula 1 e peças aeroespaciais. Eles ainda precisam entrar em uso generalizado em aplicações automotivas, setor de energia e construção [12], onde sua aplicação pode resultar em melhorias significativas na eficiência energética e reduções nas emissões de CO2. Por exemplo, uma redução de peso de 10% em um carro pode melhorar a eficiência de combustível em cerca de 7% [12].

O alto custo dos CFs se deve ao fato de serem predominantemente fabricados (> 96%) usando poliacrilonitrila (PAN) de base fóssil [12][13], um material relativamente caro. É processado em fibras de carbono por fiação em solução, uma série de tratamentos térmicos (200-350 ºC) e carbonização (> 1000 ºC) [12]. Para contornar essa questão de preço, as pesquisas têm buscado encontrar materiais precursores de baixo custo, preferencialmente de fonte renovável, evitando assim o uso de combustíveis fósseis.

Dois materiais surgiram como candidatos viáveis, lignina e celulose [12][13].

A lignina é utilizada por seu alto teor de carbono, o que possibilita um alto rendimento de CF após a conversão [12]. A celulose é usada por sua estrutura molecular benéfica, que confere a capacidade de gerar CF com propriedades mecânicas equivalentes ao PAN CF [13]. Ambos os materiais, no entanto, sofrem de problemas, pois a heterogeneidade estrutural da lignina significa que o CF produzido tem propriedades mecânicas inferiores, e o baixo teor de carbono da celulose significa que tem um baixo rendimento de conversão (10-30%) [12][13].

Como você pode ver, a desvantagem de um é a vantagem do outro. Portanto, os pesquisadores combinaram esses dois materiais usando misturas 70:30 de lignina kraft de madeira macia e polpas kraft (celulose) [12], que foi convertida em filamentos via fiação úmida a jato seco e depois CF via oxidação e carbonização (1000 ºC) [ 13].

Propriedades	Materiais precursores
	PAN padrão e intermediário [14][15]	Celulose [12]	Lignin [12]	70:30 mistura de lignina-celulose [12]
Módulo de tração (GPa)	200-400	500>	30-60	76 - 77
Resistência à tração (MPa)	4000 - 6000	2500>	400-550	1070 - 1170
Rendimento (wt%)	40-55	10-30	40-55	38-40

Tabela 2:Propriedades do CF formado a partir de diferentes materiais precursores.[1]
A partir da tabela 2, vemos que esta mistura melhora as propriedades mecânicas em comparação com a lignina e melhora o rendimento em comparação com a celulose. Suas propriedades mecânicas e rendimento permanecem, no entanto, inferiores às do PAN CF. Esta não é uma grande barreira, pois as aplicações previstas em energia, construção e automotiva não requerem uma resistência à tração> 3GPa oferecida pelo CF baseado em PAN. Portanto, a mistura pode atender adequadamente a esses requisitos.
Ainda existem alguns problemas antes que ela entre na fabricação em massa, como tensão dinâmica durante a fabricação e mudança da fabricação de lote para contínua. Ainda estamos a anos da produção em nível comercial [13]. No entanto, a chave para a fibra de carbono no mercado de massa pode ser a madeira.

Conclusão

Esperançosamente, este artigo mostrou que a madeira ainda tem potencial inexplorado como material estrutural/funcional e uma base para processamento em novos materiais. Este artigo cobre um pouco dos avanços atuais no campo, e qualquer um desses tópicos merece seu próprio artigo, incluindo materiais de madeira híbrida ou nanocargas para madeira. Para enfatizar ainda mais o potencial inexplorado da madeira, há uma pesquisa ativa da Universidade de Kyoto para enviar um satélite de madeira ao espaço. Este é apenas o começo na tentativa de atingir todo o potencial da madeira.